KR20110001751U

KR20110001751U - 강재의 수소 유기 균열 시험장치

Info

Publication number: KR20110001751U
Application number: KR2020090010579U
Authority: KR
Inventors: 최종길
Original assignee: 탑테크(주)
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2011-02-22
Also published as: KR200458466Y1; CN201662499U

Abstract

본 고안은 강재(鋼材)의 수소유기균열(HIC; Hydrogen Induced Cracking) 시험장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 API(American Petroleum Institute)강재와 같이 석유 수송에 사용되는 강재의 품질요소 중에서 균열성을 측정하기 위해 습윤산성의 환경에서 강재가 장기간 노출시 강재 내부에 존재하는 수소에 의해 균열이 발생되는 것을 측정함으로써 강재의 품질 등급을 결정할 수 있도록 하는 금속 강재의 균열 시험장치에 관한 것으로, 그 구성은 황화수소(H₂S)가 충진된 가스공급부(10); 내부에 시험용 강재(S) 및 산성용액이 수용되고, 상기 가스공급부(10)와 연결된 제1배관(51)을 통해 공급된 황화수소(H₂S)가 유입되어 상기 산성용액 내부에서 포화되는 시험조(20); 상기 시험조(20)와 제2배관(52)으로 연결되어 시험조에서 포화된 가스가 유입되고, 일측에 개폐밸브(32)가 구비된 균압조(30); 내부에 수산화나트륨(NaOH) 용액이 수용되고, 상기 균압조(30)와 제3배관(53)으로 연결되어 균압조 내부 가스가 유입되어 상기 수산화나트륨(NaOH) 용액 내부에서 포화되며, 일측에 가스세정기(scrubber)와 연결된 제4배관(54)이 구비된 중화조(40)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 강재의 균열 시험장치가 개시된다.

Description

강재의 수소 유기 균열 시험장치{MEASURING DEVICE FOR THE HYDROGEN INDUCED CRACKING OF STEEL METERIALS}

본 고안은 금속 강재(鋼材)의 수소유기균열(HIC; Hydrogen Induced Cracking) 시험장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 예컨대 API(American Petroleum Institute)강재와 같이 석유 수송용 강관에 사용되는 강재의 품질요소 중에서 균열성을 측정하기 위해 인공해수(또는 적정용액)에 침지된 강재에 수소를 가하는 환경에서 장기간 노출시 강재 내부 조직이 균열이 발생되는 정도를 측정함으로써 강재의 품질 등급을 결정할 수 있도록 하는 강재의 수소 유기 균열 시험장치에 관한 것이다.

일반적으로 송유관은 석유를 원거리로 이송하기 위한 수단으로서 대게 금속성 강재(鋼材)를 사용하고 있는데 주로 송유관에 사용되는 강재를 API(American Petroleum Institute)강재로 통일하여 일컫고 있다.

API 강재는 그 사용 환경의 특성상 내화학성이 요구되고, 특히 수소 또는 황화수소(H₂S)에 대한 내구성이 우수해야 하므로, 이에 관한 적절한 시험을 통해 강재의 부식 혹은 균열성을 측정하여 그 품질을 결정할 필요가 있다.

강재의 균열성 측정 방법의 하나로 습윤산성의 환경에서 강재가 장기간 노출시 강재 내부에 존재하는 수소에 의해 균열이 발생되는 것을 측정하는 수소 유기 균열 시험이 있다.

수소 유기 균열은 금속편을 해수에 침전시킨 상태에서 수소(H₂) 또는 황화수소(H₂S)를 지속적으로 가할 때 부식에 의하여 발생된 수소 원자가 시험편 강재의 조직 내부로 침투함에 따라 조직의 기계적 성질이 변화되어 균열이 발생하는 정도를 측정하는 것으로, 현재까지 국내의 강재의 수소 유기 균열 시험장치는 자동화가 이루어져 있지 않을 뿐 아니라 다량의 시험편을 연속적으로 제조하기 위한 설비가 미비하여 강재의 품질이 결정이 원활하지 않기 때문에 API 강재의 대량 생산의 품질평가에 어려움이 있었다.

이에 따라 본 고안의 목적은, 강재의 수소 유기 균열 시험을 연속적으로 수행할 수 있으면서도 하나의 균열 시험장치에서 다량의 시험편을 동시에 시험할 수 있도록 하는 강재의 수소 유기 균열 시험장치를 제공하는 것이다.

본 고안의 다른 목적은 수소유기균열 시험의 환경을 균일하게 유지할 수 있도록 하여 시험 측정의 오차를 최소화할 수 있게 하는 강재의 수소 유기 균열 시험장 치를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 황화수소(H₂S)가 충진된 가스공급부(10); 내부에 시험용 강재(S) 및 산성용액이 수용되고, 상기 가스공급부(10)와 연결된 제1배관(51)을 통해 공급된 황화수소(H₂S)가 유입되어 상기 산성용액 내부에서 포화되는 시험조(20); 상기 시험조(20)와 제2배관(52)으로 연결되어 시험조에서 포화된 가스가 유입되고, 일측에 개폐밸브(32)가 구비된 균압조(30); 내부에 수산화나트륨(NaOH) 용액이 수용되고, 상기 균압조(30)와 제3배관(53)으로 연결되어 균압조 내부 가스가 유입되어 상기 수산화나트륨(NaOH) 용액 내부에서 포화되며, 일측에 가스세정기(scrubber)와 연결된 제4배관(54)이 구비된 중화조(40)를 포함하여 이루어진 강재의 시험장치를 통해 석유 수송에 사용되는 강재의 품질요소 중에서 습윤산성의 환경에서 강재가 장기간 노출시 강재 내부에 존재하는 수소에 의해 균열이 발생되는 것을 측정함으로써 강재의 품질 등급을 결정할 수 있도록 함으로써 달성된다.

본 고안에 따르면, 다음과 같은 이점의 작용효과를 가진다.

첫째, 시험편 복수 개가 온도가 일정하게 유지되는 항온조 내에 설치되므로 시험 환경을 균일하게 유지할 수 있기 때문에 시험 측정 오차를 최소화하여 더욱 정확한 측정값을 수득할 수 있다.

둘째, 황화수소(H₂S) 저장탱크를 복수 개 마련하고, 압력 변화에 따라 자동으 로 황화수소(H₂S) 저장탱크의 공급 라인을 변경 설정하므로 황화수소(H₂S)의 공급량이 일정하여 정확한 시험이 가능하다.

셋째, 시험조와 중화조 사이에 균압조가 설치되어 있으므로 시험 도중 중화조의 수용액을 교체할 수 있을 뿐 아니라 수용액 교체에 따른 압력의 변화가 없으므로 시험 중단 없이 연속 시험이 가능하고 안정적인 시험 환경이 조성된다.

이하, 본 고안의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하며, 첨부된 도면은 본 고안을 설명하기 위한 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 고안을 한정하는 것으로 의도되지 않는다.

도 1은 본 고안의 실시예에 따른 강재의 수소 유기 균열 시험장치의 전체 구성을 개략적으로 보인 사시도이고, 도 2는 본 고안의 실시예에 따른 강재의 수소 유기 균열 시험장치의 요부 구성을 보인 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하는 바와 같이 본 고안의 시험장치(100)는, 황화수소(H₂S)가 충진된 가스공급부(10)와, 내부에 시험용 강재(S) 및 산성용액이 수용되고 상기 가스공급부(10)와 연결된 제1배관(51)을 통해 공급된 황화수소(H₂S)가 유입되어 상기 산성용액 내부에서 포화되는 시험조(20)와, 상기 시험조(20)와 제2배관(52)으로 연결되어 시험조에서 포화된 가스가 유입되고 일측에 개폐밸브(32)가 구비된 균압조(30)와, 내부에 수산화나트륨(NaOH) 용액이 수용되고 상기 균압조(30)와 제3배관(53)으로 연결되어 균압조 내부 가스가 유입되어 상기 수산화나트 륨(NaOH) 용액 내부에서 포화되며 일측에 가스세정기(scrubber)와 연결된 제4배관(54)이 구비된 중화조(40)로 대별된다.

바람직한 실시로서 상기 가스공급부(10)는, 가스밸브를 가지는 복수 개의 가스통이 구비되고, 상기 제1배관(51)에 압력센서가 부착되어, 압력센서의 신호에 의해 상기 복수 개의 가스통 중 어느 하나의 가스밸브가 개방되어 황화수소(H₂S)의 연속 공급이 가능하게 하며, 이는 시험조(20) 내의 강재 시료(S)가 96시간 내지 720시간동안 연속 시험되는 점을 고려하여 장시간동안 가스 공급을 일정한 양으로 연속 공급하여 균열 시험 측정에 오차를 촤소화하기 위한 것이다.

황화수소(H₂S) 가스의 연속 공급 예로서, 도 1과 같이 가스공급부(10)는 제1가스통(10a)과 제2가스통(10b)을 구비하고, 각 가스통에는 제1가스밸브(11a) 및 제2가스밸브(11b)가 마련되며, 상기 각 가스통(10a)(10b)과 연결된 제1배관(51)에는 압력센서(12)가 부착되어 있으며, 황화수소(H₂S) 가스는 상기 각 가스통 중 어느 하나에서 공급된다.

상기 압력센서(12)는 제1배관(51)을 타고 흐르는 황화수소(H₂S) 가스의 이송 압력을 측정하는 것으로, 이송 압력이 일정 수치 이하로 낮아지는 경우 가스밸브의 개폐를 제어한다.

즉, 제1가스통(10a)에서 황화수소(H₂S) 가스를 공급하고 있는 중에, 압력센서(12)의 측정 수치가 일정수치 이하로 측정되면 제2가스통(10b)의 제2가스밸 브(11b)가 개방되어 황화수소(H₂S) 가스를 공급하므로, 연속적으로 장시간 가스 공급이 가능하다.

도 2와 같이 상기 시험조(20) 내부에는 산성용액이 수용되고, 상기 강재 시료(S)는 산성용액 내에 침지된 상태로 유지되며, 제1배관(51)을 통해 유입된 황화수소(H₂S) 가스는 산성용액 저부에서 포화되어 상승한다.

이는 강재 시료(S)가 습윤산성의 환경 하에서 수소원자가 강재의 조직 내부로 침투하도록 하기 조건을 조성하기 위한 것으로, 상기 용액은 인공해수 또는 정하는 적정용액을 넣는다.

또한 상기 시험조(20)는 유리 재질로 제조하는 것이 바람직하다. FRP, PVC, 아크릴과 같이 합성수지는 그 재질의 특성상 조직이 치밀하지 못하여 기체가 투과함으로써 시험조(20) 내의 시험용액의 기질, 예컨대 용존산소를 변화시킬 수 있고 용액과 반응 이 일어날 수 있어 시험 측정에 오차를 줄 수 있다. 반면 유리 재질은 그 조직이 치밀하여 기체가 잘 투과하지 않고 용액과 반응이 일어나지 않아 내부에 수용된 시험용액의 기질을 변화시키지 않는다.

상기 균압조(30)는, 상기 시험조(20) 내부의 압력과 상기 중화조(40) 내부의 압력 차를 제거하여 동일 압력을 유지할 수 있도록 하기 위한 것으로, 균압조(30)에 설치된 공기구멍인 벤트(31)에 벤트밸브(32)가 설치되며, 이에 대한 작용은 후술하여 설명하기로 한다.

상기 중화조(40)는 시험에 사용된 황화수소(H₂S) 가스가 유독성이 있음을 감안 하여 중화시키기 위한 것으로, 내부에는 수산화나트륨(NaOH)이 수용되어 있다.

또한, 중화조(40) 하부에는 배출밸브(43)가 구비된 배출관(42)이 연결되는 동시에 일측에 유입밸브(45)가 구비된 유입관(44)이 연결되어, 수산화나트륨(NaOH)의 교체를 가능하게 할 수 있다.

도 2를 참조하여, 강재의 균열 시험 순서를 설명하며, 이를 통해 본 고안의 시험장치(100) 구조와 특징이 더욱 명확해질 것이다.

제1배관(51)을 통해 유입된 황화수소(H₂S)는 시험조(20)의 산성용액에서 포화되어 강재 시료(S)와 접한 후, 제2배관(52)을 통해 균압조(30)로 이동한다.

이때 황화수소(H₂S) 가스에 노출된 강재 시료(S)는 수소 원자가 시료 내부의 조직으로 침투함에 따라 균열이 발생하는데, 그 균열 발생 정도에 따라 강재의 품질을 결정하는데, 그 기준과 방법은 본 고안의 요지를 흐릴 수 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.

상기 균압조(30)로 유입된 황화수소(H₂S) 가스는 제3배관(53)을 통해 중화조(40) 내의 수산화나트륨(NaOH) 용액 내부에서 포화되며, 이때 수산화나트륨(NaOH) 용액과 황화수소(H₂S) 가스가 반응함으로써 중화조(40) 내부에는 황화수소나트륨 수용액이 생성되며, 잔류가스는 제4배관(54)을 통해 가스세정장치(미도시)로 이송하여 세정된 뒤 대기로 배출된다.

이때 상기 시험조(20) 내부의 환경은 시료(S)의 시험이 완료되는 동안 그대로 유지되어야 하는 반면, 중화조(40)의 수산화나트륨(NaOH)은 계속해서 황화수소(H₂S)와 반응하여 속성이 변질되어 중화 능력이 저하되므로 일정시간이 경과하면 수산화나트륨(NaOH) 용액을 교체해야 하며, 이는 앞서 설명된 배출관(42)을 통해 반응 생성물인 황화수소나트륨 수용액을 배출하고, 또한 유입관(44)을 통해 새로운 수산화나트륨(NaOH) 용액을 충진한다.

이러한 교체 과정에서 중화조(40) 내부의 압력이 변화될 수 있으며, 이러한 압력 변화는, 시험조(20) 내부의 압력 변화를 초래하여 자칫 시험 결과에 많은 오차를 발생하기도 한다.

따라서, 본 고안과 같이 시험조(20)와 중화조(40) 사이에 균압조(30)를 설치하는 경우, 시험조(20)와 중화조(40)의 압력 변화를 완충시켜서 상호 일정한 압력을 유지할 수 있다. 예컨대 중화조(40)의 수산화나트륨(NaOH) 용액 교체에 따라 배출밸브(43) 및 유입밸브(45)를 개방할 때, 상기 균압조(30)의 벤트밸브(32)를 함께 개방하면, 중화조(40) 내의 수산화나트륨 용액의 수용량 변화에 따라 내부 압력이 변화하더라도 균압조(30)는 벤트(31)가 개방된 상태이므로 외부 공기가 유입 혹은 내부 공기가 배출되는 상태여서 균압조(30)의 내부 압력이 완충되어 시험조(20) 내의 압력이 변화하는 것을 방지할 수 있고, 따라서 시험조(20) 내의 압력이 일정하게 유지되므로 강재의 균열 시험에 따른 오차를 최소화할 수 있다.

한편, 도 1과 같이 상기 시험조(20)는 복수 개 설치되어 여러 개의 시료(S)를 동시에 순차적으로 시험할 수 있고, 이 경우 각 시험조(20)의 설치된 수량에 대응 하는 개수로 균압조(30)가 설치되어야 한다.

즉, 도시된 바와 같이 3개의 시험조(20a)(20b)(20c)가 설치된 경우 균압조 역시 3개가 설치되어야 하며, 이 경우 제1시험조(20a)는 제1균압조(30a)와, 제2시험조(20b)는 제2균압조(30b), 제3시험조(20c)는 제3균압조(30c)와 각각 제2배관(52)을 통해 연결되며, 상기 각 균압조(30a)(30b)(30c)는 하나의 중화조(40)와 연결되어도 무방하다.

측정 오차의 최소화를 위한 바람직한 실시로서, 시험조(20)는 시험이 진행되는 동안 일정한 온도 조건 하에서 유지되도록 한다. 이를 위해 도 1과 같이 상기 시험조(20)는 항온기(110)가 설치된 항온조(111) 내에 배치되며, 상기 항온기(110)는 항온조(111) 내부의 온도를 일정하게 유지시키도록 한다.

물론, 상기 항온조(111) 내부의 온도 유지 매개체는 공기일 수도, 물과 같은 유체일 수도 있는바, 본 고안의 용도를 고려하면 온도 변화율이 적은 유체를 적용하는 것이 더욱 유리하고, 이 경우 시험조(20)는 유체인 물이 충전된 항온조(111) 내에 잠긴 상태로 유지되며, 상기 항온기(110)에 의해 유지되는 항온조(111) 내부의 온도는 22℃ ~ 28℃인 것이 바람직하다.

도 3은 본 고안의 다른 실시예에 따른 강재의 수소 유기 균열 시험장치의 가스 공급 구조를 보인 도면이다.

도 3을 참조하는 바와 같이 상기 가스공급부(10)는, 황화수소(H₂S) 가스를 공급하도록 복수 개로 이루어진 제1군 가스통(10a)(10b)과, 질소(N₂) 가스를 공급하도 록 복수 개로 이루어진 제2군 가스통(10c)(10d)으로 분리될 수 있으며, 상기 질소(N₂) 가스가 충진된 가스통(10c)(10d)들 역시 각각 가스밸브(11c)(11d)가 구비됨은 물론, 각 가스밸브(11c)(11d)를 선택 개폐하기 위해 압력을 측정하는 제2군 압력센서(12')가 구비된다.

또한 본 고안의 다른 실시예에 따르면 상기 가스공급부(10)는 상기 제1군의 가스통(10a)(10b)의 가스 공급량을 제어하기 위한 제1플로우미터(13)와, 제2군의 가스통(10c)(10d)의 가스 공급량을 제어하기 위한 제2플로우미터(13')가 구비된다.

상기 질소(N₂) 가스는 황화수소(H₂S) 가스를 공급하기 전에 시험조 내부에 공급하여 시험조 내부 및 각 배관 내부의 용존 산소를 제거하여 황화수소(H₂S) 가스에 의한 균열 시험을 더욱 정확하게 측정하기 위한 것이다.

이를 위해 먼저, 제2플로우미터(13')를 개방하여 질소(N₂) 가스를 공급한 뒤, 제2플로우미터(13')를 폐쇄하고 제1플로우미터(13)를 개방하여 황화수소(H₂S) 가스를 공급한다.

이상의 설명은 본 고안의 바람직한 실시예를 보인 몇가지 도면에 기하여 설명되었으나, 그 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 그러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 실용신안등록청구범위에 속하게 됨을 이해해야 한다.

도 1은 본 고안의 실시 예에 따른 강재의 수소 유기 균열 시험장치의 전체 구성을 개략적으로 보인 사시도.

도 2는 본 고안의 실시 예에 따른 강재의 수소 유기 균열 시험장치의 요부 구성을 보인 도면.

도 3은 본 고안의 다른 실시예에 따른 강재의 수소 유기 균열 시험장치의 가스 공급 구조를 보인 도면.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10... 가스공급부

11... 가스밸브

12, 12'... 제1, 2압력센서

13, 13'... 제1, 2플로우미터(flow meter)

20... 시험조

30... 균압조 31... 벤트(vent)

32... 개폐밸브

40... 중화조

41... 황화수소나트륨 수용액 42... 배출관

43... 배출밸브 44... 유입관

45... 유입밸브

51, 52, 53, 54... 제1, 2, 3, 4배관

100... 시험장치

110... 항온기

111... 항온조

Claims

황화수소(H₂S)가 충진된 가스공급부(10);

내부에 강재 시료(S) 및 산성용액이 수용되고, 상기 가스공급부(10)와 연결된 제1배관(51)을 통해 공급된 황화수소(H₂S)가 유입되어 상기 산성용액 내부에서 포화되는 시험조(20);

상기 시험조(20)와 제2배관(52)으로 연결되어 시험조에서 포화된 가스가 유입되고, 일측에 벤트(31)가 구비된 균압조(30);

내부에 수산화나트륨(NaOH) 용액이 수용되고, 상기 균압조(30)와 제3배관(53)으로 연결되어 균압조 내부 가스가 유입되어 상기 수산화나트륨(NaOH) 용액 내부에서 포화되며, 일측에 가스세정기(scrubber)와 연결된 제4배관(54)이 구비된 중화조(40)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 강재의 수소 유기 균열 시험장치.
제 1항에 있어서,

상기 시험조(20)가 복수 개 구비되고, 상기 균압조(30)는 상기 각 시험조(20)의 수량에 대응하는 개수로 구비되어 각각 제2배관으로 연결된 것을 특징으로 하는 강재의 수소 유기 균열 시험장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 시험조(20)는, 일정한 온도를 유지하도록 항온기(110)가 설치된 항온조(111) 내에 수용된 것을 특징으로 하는 강재의 수소 유기 균열 시험장치.
제 3항에 있어서,

상기 항온조(111)의 내부 온도는 22℃ ~ 28℃인 것을 특징으로 하는 강재의 수소 유기 균열 시험장치.
제 1항에 있어서,

상기 가스공급부(10)는, 가스밸브를 가지는 복수 개의 가스통이 구비되고, 상기 제1배관(51)에 압력센서가 부착되어, 압력센서의 신호에 의해 상기 복수 개의 가스통 중 어느 하나의 가스밸브가 개방되어 황화수소(H₂S)의 연속 공급이 가능하게 된 것을 특징으로 하는 강재의 수소 유기 균열 시험장치.
제 1항에 있어서,

상기 가스공급부(10)는, 황화수소(H₂S) 가스를 공급하는 제1군 가스통과 질소(N₂) 가스를 공급하는 제2군 가스통으로 분리되고, 각 군의 배관에 가스 공급량을 제어하는 플로우미터가 설치된 것을 특징으로 하는 강재의 수소 유기 균열 시험장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 중화조(40)에 내부 수용물을 교체할 수 있도록 배출관(42) 및 유입관(44)이 구비된 것을 특징으로 하는 강재의 수소 유기 균열 시험장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 균압조(30)에 공기가 출입하는 벤트(31)가 설치된 것을 특징으로 하는 강재의 수소 유기 균열 시험장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 시험조(20)는 유리 재질인 것을 특징으로 하는 강재의 수소 유기 균열 시험장치.